《机器人学基础》-第1章

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机器人发展趋势机器人是一种自动执行任务的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编置的程序,也可以根据以人工智能技术制定的规则自主执行任务。它的任务是协助或代替人类进行工作,例如在工业生产、危险行业等场合工作。1920年,捷克作家K·凯比克在一科幻剧本中首次提出了Robot(汉语前译为“劳伯”)这个名词,现在已被人们作为“机器人”的专用名词。1950年美国作家I·阿西莫夫提出了机器人学(Robotics)这一概念,并提出了所谓的“机器人三原则”,后来,人们不断提出对机器人三原则的补充、修正和发展,形成了以下机器人原则:1.1

机器人发展趋势元原则:机器人不得实施行为,除非该行为符合机器人原则;第零原则:机器人不得伤害人类整体,或者因不作为致使人类整体受到伤害;第一原则:机器人不得伤害人类,或坐视人类受到伤害;第二原则:除非违背第一原则,机器人必须服从人类的命令;第三原则:在不违背第一及第二原则下,机器人必须保护自己;第四原则:除非违反高阶原则,机器人必须执行内置程序赋予的职能;繁殖原则:机器人不得参与机器人的设计和制造,除非新机器人行为符合机器人原则。1.1

机器人发展趋势1959年,美国发明家德沃尔与约瑟夫·英格伯格联手制造了世界上第一台工业机器人，如图。此后,英格伯格和德沃尔成立了Unimation公司,兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特(UNIMATE)”,意思是“万能自动”。1.1

机器人发展趋势1979年,Unimation公司推出了PUMA机器人,如图。它有6个自由度、全电动驱动、多CPU控制,可配置视觉、触觉、力觉传感器,现在的工业机器人结构基本上都是以此为基础的。但是,这一时期的机器人只具有记忆、存储能力,按相应编置的程序重复作业,对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人被称作第一代机器人。1.1

机器人发展趋势80年代,出现了第二代机器人,即有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息,并进行一定的实时处理,引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了实用化,主要代表是工业机器人，如图，在汽车、飞机、钢铁冶炼、电子、通信等核心工业生产中发挥了重要作用。1.1

机器人发展趋势第三代机器人是目前正在研究与发展的“智能机器人”,以达芬奇“内窥镜手术器械控制系统”手术机器人和iRobot扫地机器人等为代表，在医疗/康复和家庭服务等领域得到了成功应用。它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力,而且还具有逻辑思维、判断、学习、推理和决策能力,可根据作业要求与环境信息进行自主工作。出现了以ASIMO、Atlas、Robonaut2、Yume、BigDog等为代表的智能机器人与系统，如图，其可提升人类的生活质量,并能够在复杂危险的环境中代替人类进行作业。1.2

机器人系统组成与分类机器人是一种典型的机电一体化系统,集机构学、计算机科学、自动控制理论、传感器技术、人工智能、仿生学等众多学科于一身。机器人在运动控制过程中,需要计算其运动学和动力学模型,根据力觉、视觉等传感器实现作业信息反馈,对其关节进行伺服控制,完成机器人末端及特定关节的运动规划。机器人执行任务时,其控制系统需要利用众多的传感数据,对其路径进行规划,控制其关节进行运动,适应作业环境,最终实现所赋予的任务。1.2

机器人系统组成与分类1.2.1机器人系统组成机器人典型的控制系统与结构,包括任务控制终端、任务通信总线、中央运动控制、伺服通信总线、伺服驱动单元和数据传感采集等核心部分。1.2

机器人系统组成与分类1.2

机器人系统组成与分类1.任务控制终端任务控制终端的主要功能是实现机器人任务指令的下发、任务仿真、状态数据显示与分析等,为使用者提供直观的控制与应用程控界面。该终端通常是一种软件界面系统,类似工业机器人的示教盒。2.任务通信总线任务通信总线的主要功能是实现任务控制终端与中央控制器间的指令与状态数据交互。目前,在机器人控制系统中常用的任务通信总线有CAN、EtherCAT、以太网等。1.2

机器人系统组成与分类3.中央运动控制机器人的中央运动控制类似人类大脑,主要功能是实现机器人复杂传感数据结算、复杂的运动控制与规划算法,如机器人的运动学、动力学、力控、视觉引导、运动规划等算法,是机器人的大脑。目前,用于机器人中央运动控制的硬件主要有工业控制计算机、DSP(DigitalSignalProcessing,数字信号处理)+FPGA(FieldProgrammableGateArray,现场可编程门阵列)、ARM等嵌入式控制器。操作系统主要有Windows,Linux(Ubuntu),Android等。为了提高控制的实时性,出现了Vxworks,QNX,RT-Linux,Xenomai等实时操作系统。针对机器人控制,还有专门的ROS机器人操作系统。1.2

机器人系统组成与分类4.伺服通信总线伺服通信总线的主要功能是实现机器人各运动关节与中央控制器间的控制与状态数据的交互。目前,在机器人控制系统中常用的伺服通信总线有CAN、EtherCAT、以太网等。5.伺服驱动单元伺服驱动单元是实现机器人运动作业的核心单元,即机器人的运动关节。机器人运动关节一般由动力源、关节结构、位置/电流/扭矩传感器等核心部分组成。按照动力源不同,可以分为电动关节、气动关节、液压驱动关节等。1.2

机器人系统组成与分类6.数据传感采集系统数据传感采集系统是机器人系统自身定位和任务执行的导航器,类似于人的眼睛等各感觉器官。目前,在机器人控制系统中常用的传感数据有两种:一种是关节控制传感器,主要有位置、电流、扭矩、温度等传感器;一种是系统控制与作业传感器,主要有视觉、力/触觉、姿态等传感器。1.2

机器人系统组成与分类1.2.2机器人的分类1.按照可移动性分类机器人按照可移动性可分为固定式机器人和移动式机器人。固定式机器人是指机器人工作时不可移动,即基座是固定不动的,其中生产中应用的工业机器人为固定式机器人的典型代表。移动式机器人是指机器人工作时是可移动的。移动式机器人的种类很多,如轮式机器人、履带式机器人、腿式机器人,其中腿式机器人又可分为单足、双足(仿人机器人)、四足(大狗机器人)、六足和八足等机器人。1.2

机器人系统组成与分类2.按照用途分类机器人按照用途可分为工业机器人、军用机器人、服务机器人、医疗机器人、特种机器人等。工业机器人目前在汽车、飞机等工业场合得到了广泛的应用,如装配机器人、焊接机器人、喷漆机器人等,提高了产品的生产效率、质量和一致性。军用机器人是一种用于军事领域的自动化机器装备,其功能包含物资运输、战场信息感知以及实战进攻等,目前军用机器人在战场使用范围非常广泛。1.2

机器人系统组成与分类机器人按照工作区域可分为空间机器人、空中机器人、地